S3C2440时钟频率

系统时钟

MINI2440开发板在没有开启时钟前，整个开发板全靠一个12MHz的晶振提供频率来运行，也就是说CPU，内存，UART等需要用到时钟频率的硬件都工作12MHz下，而S3C2440A可以正常工作在400MHz下，两者速度相差可想而知，就好比牛车和动车。如果CPU工作在12MHz频率下，开发板的使用效率非常低，所有依赖系统时钟工作的硬件，其工作效率也很低，比如，我们电脑里面经常提到的超频，超频就是让CPU工作在更高的频率下，让电脑运算速度更快，虽然频率是越高越好，但是由于硬件特性决定了任何一个设备都不可能无止境的超频，电脑超频时要考虑到CPU或主板发热过大，烧坏的危险，同样开发板的主板上的外设和CPU也有一个频率限度，ARM920T内核的S3C2440的最高正常工作频率如下：

l FCLK：400MHz

l HCLK：100MHz

l PCLK：50MHz

既然如此，那么怎样让CPU工作在400MHz，让牛车速度提高到动车的速度呢？

1 系统工作时钟频率

在对系统时钟进行提速之前，让我们先来了解下S3C2440上的工作时钟频率，FCLK，HCLK，PCLK，其中FCLK主要为ARM920T内核提供工作频率，如图2-44所示：

图2-44 ARM920T内核结构

HCLK主要为S3C2440 AHB总线（Advanced High performance Bus）上挂接硬件提供工作频率，AHB总线主要挂接有内存，NAND，LCD控制器等硬件，如图2-45所示：

图2-45 S3C2440 AHB总线上挂接硬件

PCLK主要为APB总线提供工作频率，由图2-46所示，APB总线主要挂接UART串口，Watchdog等硬件控制器。

图2-46 S3C2440 APB总线挂接硬件

也就是说，对于一些需要时钟工作的硬件，如果切断其时钟源 ，就不会再工作，从而达到降低功耗的目的，这也是便携嵌入式设备里的一个特点。

时钟源：为了减少外界环境对开发板电磁干扰，降低制作成本，通常开发板的外部晶振时钟频率都很低，MINI2440开发板由12MHz的晶振来提供时钟源，要想让CPU运行在更高的频率就要通过时钟控制逻辑单元PLL（锁相环）来提高主频。

S3C2440里有两个PLL：MPLL和UPLL，MPLL用来产生FCLK，HCLK，PCLK的高频工作时钟，UPLL用来为USB提供工作频率。

图2-47系统时钟初始化时序

开发板上电后，晶振OSC开始提供晶振时钟，由于系统刚刚上电，电压信号等都还不稳定，这时复位信号（nRESET）拉低，这时MPLL虽然默认启动，但是如果不向MPLLCON中写入值，那么外部晶振则直接作为系统时钟FCLK，过几毫秒后，复位信号上拉，CPU开始取指运行，这时可以通过代码设置启动MPLL，MPLL启动需要一定锁定时间（LockTime），这是因为MPLL输出频率还没有稳定，在这期间FCLK都停止输出，CPU停止工作，过了LockTime后时钟稳定输出，CPU工作在新设置的频率下，这时可以通过设置FCLK，HCLK和PCLK三者的频率比例来产生不同总线上需要的不同频率，下面详细介绍开启MPLL的过程：

l 设置LockTime变频锁定时间

l 设置FCLK与晶振输入频率（Fin）的倍数

l 设置FCLK，HCLK，PCLK三者之间的比例

LockTime变频锁定时间由LOCKTIME寄存器（见下表）来设置，由于变频后开发板所有依赖时钟工作的硬件都需要一小段调整时间，该时间计数通过设置LOCKTIME寄存器[31:16]来设置UPLL（USB时钟锁相环）调整时间，通过设置LOCKTIME寄存器 [15:0]设置MPLL调整时间，这两个调整时间数值一般用其默认值即可。

表2-8变频锁定时间寄存器(LOCKTIME)

FCLK与Fin的倍数通过MPLLCON寄存器设置，三者之前有以下关系：

MPLL(FCLK) = (2*m*Fin)/(p*2^s)

其中：m = MDIV + 8, p = PDIV + 2, s = SDIV

当设置完MPLL之后，就会自动进入LockTime变频锁定期间，LockTime之后，MPLL输出稳定时钟频率。

表2-9 MPLL配置寄存器(MPLLCON)

通过上述算法比较难以找到合适的PLL值，下表给出了官方推荐的一些MPLL参考设置：

表2-10 官方推荐MPLL

FCLK，HCLK，PCLK三者之间的比例通过CLKDIVN寄存器进行设置，S3C2440时钟设置时，还要额外设置CAMDIVN寄存器，如下表，HCLK4_HALF，HCLK3_HALF分别与CAMDIVN[9:8]对应，下表列出了各种时钟比例：

表2-11 FCLK HCLK PCLK设置比例

如果HDIV设置为非0，CPU的总线模式要进行改变，默认情况下FCLK = HCLK，CPU工作在fast bus mode快速总线模式下，HDIV设置为非0后， FCLK与HCLK不再相等，要将CPU改为asynchronous bus mod异步总线模式，可以通过下面的嵌入汇编代码实现：

__asm{

mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 /* 读取CP15 C1寄存器 */

orr r1, r1, #0xc0000000 /* 设置CPU总线模式 */

mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0 /* 写回CP15 C1寄存器 */

}

关于mrc与mcr指令，请查看MMU与内存保护的实现章节。

表2-12时钟分频器控制寄存器（CLKDIVN）

表2-13摄像头时钟分频控制寄存器（CAMDIVN）

2 时钟驱动实验

系统时钟驱动可以分别用ARM汇编和C语言两个版本实现。

ARM汇编版本：

; 以下为时钟相关寄存器地址

LOCKTIME EQU 0x4c000000

MPLLCON EQU 0x4c000004

CLKDIVN EQU 0x4c000014

CAMDIVN EQU 0x4c000018

clock_init ; 时钟初始化代码

; 设置变频锁定时间

ldr r0, =LOCKTIME

ldr r1, =0x00ffffff

str r1, [r0]

; 设置分频比FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8

; 由于CAMDIVN[9]位初始值为0，寄存器CAMDIVN未使用，这儿不用再设置其值

ldr r0, =CLKDIVN

mov r1, #0x05

str r1, [r0]

; 修改CPU总线模式

mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0

orr r1, r1, #0xc0000000

mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0

ldr r0, =MPLLCON

ldr r1, =0x5c011 ; MPLL = 400MHz

str r1, [r0]

mov pc, lr ; 函数调用返回

该汇编代码入口处先设置了变频锁定时间为0x00ffffff，然后设置FCLK:HCLK:PCLK的分频比，由于系统时钟已经改变，需要修改CPU总线模式，最后设置系统时钟工作频率。

C语言版本：

/* 通过MPLL计算公式可以算出：MDIV=92,PDIV=1,SDIV=0时，MPLL=400MHz

#define MPLL_400MHz （(92 << 12)|(1 << 4)|(1 << 0)）

void clock_init(void){

/* 设置变频锁定时间 */

LOCKTIME = 0x00ffffff;

/* 设置分频比FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8，CAMDIVN初始值为0，不用再对其设置 */

CLKDIVN = 0x05;

/* 修改CPU总线模式 */

__asm{

mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0

orr r1, r1, #0xc0000000

mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0
}

MPLLCON = MPLL_400MHz;

}

C语言版本与汇编版本一样，只是由于修改CPU总线模式时要使用mrc指令，因此只能使用C语言嵌入汇编方式来实现。

系统时钟驱动实验：

;

; 系统时钟初始化实验

;

WTCON EQU 0x53000000 ; 看门狗控制寄存器

WTDAT EQU 0x53000004 ; 看门狗数据寄存器

LOCKTIME EQU 0x4c000000 ; 变频锁定时间寄存器

MPLLCON EQU 0x4c000004 ; MPLL寄存器

CLKDIVN EQU 0x4c000014 ; 分频比寄存器

GPBCON EQU 0x56000010 ; LED控制寄存器

GPBDAT EQU 0x56000014 ; LED数据寄存器

GPBUP EQU 0x56000018 ; 上拉电阻设置寄存器

DELAYVAL EQU 0x8fff ; 延时数值

AREA CLOCK, CODE, READONLY

ENTRY
start

ldr r0, = 0x53000000 ; 看门狗关闭代码

mov r1, #0

str r1, [r0]

bl clock_init ; 调用时钟初始化函数

bl led_on ; 调用点亮Led函数

clock_init ; 时钟初始化代码

; 设置锁频时间

ldr r0, =LOCKTIME ; 取得LOCKTIME寄存器地址

ldr r1, =0x00ffffff ; LOCKTIME寄存器设置数据

str r1, [r0] ; 将LOCKTIME设置数据写入LOCKTIME寄存器

; 设置分频数

ldr r0, =CLKDIVN ; 取得CLKDIVN寄存器地址

mov r1, #0x05 ; CLKDIVN寄存器设置数据

str r1, [r0] ; 将CLKDIVN设置数据写入CLKDIVN寄存器

; 修改CPU总线模式

mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0

orr r1, r1, #0xc0000000

mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0

ldr r0, =MPLLCON

ldr r1, =0x5c011 ; MPLL is 400MHz

str r1, [r0]

mov pc, lr

led_on ; 亮点Led函数

; Led初始化开始

ldr r0,=GPBCON ; 将LED控制寄存器地址放入r0

ldr r1,[r0] ; 将控制寄存器里的值读出放入r1

bic r1,r1,#0x3fc00 ; 将r1里的值（控制寄存器里的值）

; bit[10]~bit[17]清位，其它位不变

orr r1,r1,#0x15400 ; 设置控制寄存器

str r1,[r0] ; 将r1里的值写入控制寄存器

; 禁止GPF4－GPF7端口的上拉电阻

ldr r0,=GPBUP

ldr r1,[r0]

orr r1,r1,#0x1e0

str r1,[r0]

; Led初始化结束

led_loop ; 循环点亮Led

ldr r2,=GPBDAT ; 将LED数据寄存器的地址放入r2

ldr r3,[r2] ; 将数据寄存器（r2）里的值放入r3

bic r3,r3,#0x1e0 ; 清除bit[5]~bit[8]，bit[n]代表led1~led4

orr r3,r3,#0x1c0 ; 清对应Led位-亮灯，设置相应位-灭灯（点亮led1）

str r3,[r2] ; 将控制亮灯数据写入数据寄存器r2

ldr r0,=DELAYVAL ; 设置延迟数

bl delay ; 调用延迟子程序

ldr r3,[r2] ; 将数据寄存器（r2）里的值放入r3

bic r3,r3,#0x1e0 ; 清除bit[5]~bit[8]，bit[n]代表led1~led4

orr r3,r3,#0x1a0 ; 清对应Led位-亮灯，设置相应位-灭灯（点亮led2）

str r3,[r2] ; 将控制亮灯数据写入数据寄存器r2

ldr r0,=DELAYVAL ; 设置延迟数

bl delay ; 调用延迟子程序

ldr r3,[r2] ; 将数据寄存器（r2）里的值放入r3

bic r3,r3,#0x1e0 ; 清除bit[5]~bit[8]，bit[n]代表led1~led4

orr r3,r3,#0x160 ; 清对应Led位-亮灯，设置相应位-灭灯（点亮led3）

str r3,[r2] ; 将控制亮灯数据写入数据寄存器r2

ldr r0,=DELAYVAL ; 设置延迟数

bl delay ; 调用延迟子程序

ldr r3,[r2] ; 将数据寄存器（r2）里的值放入r3

bic r3,r3,#0x1e0 ; 清除bit[5]~bit[8]，bit[n]代表led1~led4

orr r3,r3,#0xe0 ; 清对应Led位-亮灯，设置相应位-灭灯（点亮led4）

str r3,[r2] ; 将控制亮灯数据写入数据寄存器r2

ldr r0,=DELAYVAL ; 设置延迟数

bl delay ; 调用延迟子程序

b led_loop

delay

sub r0,r0,#1 ; r0=r0-1

cmp r0,#0x0 ; 将r0的值与0相比较

bne delay ; 比较的结果不为0，继续调用delay

mov pc,lr ; 返回

END ; 程序结束符

该实验首先关闭了看门狗定时器，然后修改系统时钟，将默认系统工作频率12MHz提高到400MHz，由于CPU工作在较高频率下，其执行速度明显比未启动系统时钟时高的多，可以通过注释掉系统时钟初始化代码跳转指令 bl clock_init，对比LED的跑马灯效果可以证明。